Хроматин — сенсор повреждений ДНК
Ученые из России предложили новый механизм узнавания одноцепочечных разрывов ДНК. Нарушения генома, скрытые в нуклеосоме и находящиеся в нематричной цепи, не может регистрировать ни одна известная на данный момент система контроля целостности генома. Оказывается, РНК-полимераза, объединяясь с нуклеосомой, способна служить сенсором таких «скрытых» повреждений.
| |||
Зачем нужна репарация ДНК?
В ДНК закодирована генетическая информация любого живого организма, а поэтому она должна храниться в неизменном виде, чтобы избежать нарушений в работе клетки. Однако ДНК постоянно подвергается атаке опасных агентов, таких как ультрафиолет и активные формы кислорода. Избежать вредоносных воздействий невозможно, поэтому в клетке работают специальные «службы ремонта» ДНК — системы репарации [1, 2].
Как репарируются одноцепочечные разрывы свободной от белков ДНК?
ДНК в ядре эукариотической клетки находится в составе хроматина — конденсированного белково-нуклеинового комплекса, — а поэтому очень плотно упакована. Упаковка генетического материала играет важную роль в регуляцииэкспрессии генов: эффективно считываться (экспрессироваться) может только «распутанная» ДНК. Единицей хроматина является нуклеосома — ДНК, «намотанная» на основные хроматиновые белки — гистоны [3]. Нуклеосомы расположены примерно через каждые 200 пар нуклеотидов.
Таким образом, в клетке есть как свободная от белков ДНК, так и связанная с гистонами, но повредиться может и та, и другая. Самый распространенный тип повреждений ДНК — это одноцепочечные разрывы. Они опасны тем, что при их накоплении увеличивается вероятность нарушений и перестроек в геноме [4]. Это влечет за собой появление различных заболеваний, в том числе нейродегенеративных. В клетке есть специальные белки, которые сканируютсвободную ДНК, узнают одноцепочечные разрывы и, в случае чего, запускают соответствующие реакции репарации.
А вот с нуклеосомной ДНК дело обстоит сложнее — разрывы в ней маскируют гистоны. За счет нуклеосом ДНК — молекула длиной в пару метров — упаковывается до микроскопических размеров, которые позволяют генетическому материалу поместиться в ядро. Взаимодействия с гистонами необходимы для правильной упаковки генома, но делают ДНК недоступной для сканирующих ее белков [5].
Как репарируются нарушения в структуре нуклеосомной ДНК?
Рисунок 1. РНК-полимераза II, заключенная во внутринуклеосомную петлю, образует комплекс с ДНК и гистонами. РНК-полимераза показана зеленым цветом, ДНК белым, нуклеосомные гистоны синим, одноцепочечный разрыв (находится позади РНК-полимеразы) — красным. Ученые полагают, что именно такие петли могут служить сенсорами повреждений ДНК и предотвращать появление заболеваний, связанных с нарушениями генома.
Нарушения в структуре нуклеосомной ДНК тоже репарируются, но не до конца изучено, как именно. Сенсором в данном случае может служить РНК-полимераза. Наталкиваясь на поврежденный участок ДНК, фермент останавливается, а «застрявшая» РНК-полимераза — это сигнал системам репарации. У данного механизма есть один недостаток. Дело в том, что таким образом могут узнаваться только разрывы в матричной цепи ДНК (той, с которой идет синтез РНК). Однако показано, что разрывы в нематричной цепи также репарируются с высокой эффективностью [5].
Каким же образом это происходит, раз РНК-полимераза не может «чувствовать» такие разрывы? Российские ученые — под руководством доктора биологических наук Студитского Василия Михайловича — предложили интересный механизм, объясняющий, как происходит регистрация таких разрывов. Они показали, что нарушения в структуре нематричной цепи нуклеосомной ДНК также влияют на скорость движения РНК-полимеразы [5].
Ученые, исследуя транскрипцию в хроматине, использовали в качестве модельной системы мононуклеосомы, к которым был прикреплен промотор. Оказалось, что разрывы в нематричной цепи нуклеосомной ДНК радикально влияют на транскрипцию. Если одноцепочечный разрыв находится ближе к промотору (в проксимальной части нуклеосомы), то он вызывает остановку РНК-полимеразы. А если далеко от промотора (в дистальной части нуклеосомы), то, наоборот,ускоряет транскрипцию. Эффект замедления РНК-полимеразы показался исследователям более интересным, потому что, как известно, остановка транскрипции — это сигнал к репарации ДНК. Поэтому далее, изучая этот эффект подробнее, установили положение особенно критических для транскрипции точек. Например, одноцепочечный разрыв в положении +12 нематричной цепи нуклеосомной ДНК останавливает РНК-полимеразу более чем в 90% случаев (здесь и далее положения указаны от начала нуклеосомы).
Интересно, что фермент замирает не в месте разрыва нематричной цепи, а в определенных позициях: +24, +34, +44, которые находятся после разрыва. Видимо, в этих точках РНК-полимераза может заключаться во внутринуклеосомную петлю: то есть связи ДНК и гистонов восстанавливаются как перед ферментом, так и после него (рис. 1). Ученые полагают, что такие петли возникают и в норме, но нарушения в структуре нуклеосомы делают их более устойчивыми и трудноразрешимыми. Такая модель впервые объясняет биологическую роль так называемых топологических замков(topological locks), с которыми сталкиваются все ферменты, «читающие» ДНК эукариот.
Таким образом, хроматин и РНК-полимераза, объединяясь, могут служить сенсором повреждений генома там, где другие системы этого сделать не в состоянии.
На вопросы отвечает Герасимова Надежда — один из первых авторов исследования (разделяет первое авторство с Пестовым Николаем) и сотрудник МГУ им. Ломоносова.
Ваши данные указывают на то, что разрывы в нематричной цепи нуклеосомной ДНК могут как замедлять, так и ускорять транскрипцию. Может ли ускоряющий эффект иметь отношение к репарации ДНК?
Действительно, в некоторых случаях разрывы ДНК могут способствовать ускорению РНК-полимеразы, транскрибирующей нуклеосомную матрицу. На первый взгляд, такой эффект должен «скрывать» повреждения. Однако если ускорение фермента будет приводить к удалению гистоновых белков с ДНК, то это, напротив, может способствовать скорейшему узнаванию повреждения «обычными» системами репарации.
Планируете ли вы продолжать работу над данным исследованием, если да, то в каких направлениях?
Прежде всего мы хотим продолжить изучение обнаруженного эффекта в живых клетках. Здесь возникает много вопросов: насколько значим вклад механизма в общий уровень репарации разрывов, как быстро происходит клеточный ответ на такой сигнал, какова судьба остановленного фермента и другие. Мы надеемся, что дальнейшая работа поможет открыть новые перспективы в лечении и профилактике нейродегенеративных заболеваний, некоторые из которых развиваются именно из-за нарушения работы системы репарации однонитевых разрывов ДНК.
Почему вы решили изучать именно однонитевые разрывы?
Однонитевые разрывы — одни из самых частых повреждений, возникающих в ДНК. Например, в клетках человека они появляются десятками тысяч каждый день. Их накопление приводит к нарушению базовых процессов клеточного метаболизма. В случае активно делящихся клеток при репликации ДНК однонитевые разрывы могут приводить к двунитевым разрывам и нестабильности генома. А у неделящихся клеток однонитевые разрывы вызывают нарушение транскрипции и приводят к потере функциональности клеток (например, нейронов в случае нейродегенеративных заболеваний). Таким образом, поддержание целостности ДНК — важнейший процесс клеточного метаболизма.
 Литература
| |||
вторник, 14 июля 2015 г.
Хроматин — сенсор повреждений ДНК
